三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)

1、課題來源發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家，三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)消耗了大約70%的電能。電機(jī)直接起動(dòng)存在較大的沖擊，消耗了大量電能。直接起動(dòng)方式雖然起動(dòng) 簡單，但是電機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生很大的瞬間電流沖擊，造成許多危 害，如過大的熱應(yīng)力極易導(dǎo)致繞組損壞，造成繞組絕緣提前老化，從而 降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命；過大的起動(dòng)電流將使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩沖 擊很大；過大的起動(dòng)電流還造成對電網(wǎng)的沖擊，造成能源浪費(fèi)，傳統(tǒng)降 壓起動(dòng)方法無法從根本上解決這些問題。因此研究三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的軟 起動(dòng)器，以此來克服上述電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的缺點(diǎn)，是很有現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì) 效益的。本文設(shè)計(jì)了三相交流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器， 主電路由三組反并聯(lián)的晶閘 管構(gòu)成。通過控制

2、品閘管的觸發(fā)角，可降低三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電壓， 從而達(dá)到抑制起動(dòng)電流沖擊的目的。 本設(shè)計(jì)采取開環(huán)控制系統(tǒng)利用移相 電路控制品閘管導(dǎo)通角，控制電路由積分電路、加法電路、反向電路及 限幅電路形成觸發(fā)模塊的控制電壓，觸發(fā)?？煊蒏C04、KC41及功放電路組成。4 / 43軟啟動(dòng)器是一種集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能課 題 的 目 的*、 意 義于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國外稱為 Soft Starter。它的主要構(gòu)成是 用接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按 不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。軟啟

3、動(dòng)器以體積小，轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)、啟動(dòng)平穩(wěn)沖擊小并具有軟 停機(jī)功能等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越多的應(yīng)用，大有取代傳統(tǒng)的自耦減壓、星- 角等啟動(dòng)器的趨勢.由于軟啟動(dòng)器是近年來新發(fā)展起來的啟動(dòng)設(shè)備，在 設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和使用方面還缺少指導(dǎo)性的規(guī)范與規(guī)程 .我們在軟啟 動(dòng)器的安裝、調(diào)試工作中也遇到了一些實(shí)際技術(shù)問題.例如：不同啟動(dòng)負(fù) 載軟啟動(dòng)器的選型、軟啟動(dòng)沖擊電流與過流保護(hù)定值的配合、軟啟動(dòng)設(shè) 備容量與變壓器容量的關(guān)系等問題.(1)能使電機(jī)起動(dòng)電壓以恒定的斜率平穩(wěn)上升，起動(dòng)電流小，對電網(wǎng) 無沖擊電流，減小負(fù)載的機(jī)械沖擊。(2)起動(dòng)電壓上升斜率可調(diào)，保證了起動(dòng)過程的平滑性，起動(dòng)電 壓可依據(jù)不同的負(fù)載在30%70%U

4、e(Ue 為額定電壓)范圍內(nèi)連續(xù)可 調(diào)。(3)可以根據(jù)不同的負(fù)載設(shè)定起動(dòng)時(shí)間。(4)起動(dòng)器還具有可控硅短路保護(hù)、缺相保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓 保護(hù)。(1)軟啟動(dòng)器發(fā)展(2)電機(jī)軟啟動(dòng)的發(fā)展；(3)進(jìn)行方案選擇，確定控制方案；熟悉(4)建立交流異步電機(jī)軟起動(dòng)控制的控制模型；(5)設(shè)計(jì)主電路、驅(qū)動(dòng)電路和接口電路，畫出電路原理圖和總框圖；(6)熟悉KeilC仿真調(diào)試環(huán)境；(7)畫出軟件流程圖、軟件編程及調(diào)試；(8)撰寫畢業(yè)論文說(9)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。課 題 主 要 內(nèi)三相交流電機(jī)廣泛應(yīng)用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、皮帶機(jī)、水泵、真空泵、潛水泵及壓縮機(jī)等，故電機(jī)的起動(dòng)、控制、運(yùn)行及安全可靠性顯得十分重要，尤其是大功率電機(jī)的

5、起動(dòng)及系統(tǒng)的保護(hù)。針對電機(jī)起動(dòng)的優(yōu)良性、控制的可靠性、保護(hù)功能的全面性，設(shè)計(jì)一種軟起動(dòng)控制系統(tǒng)，從而改善電機(jī)起動(dòng)效果，提高系統(tǒng)保護(hù)與控制功能的完善性與可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖通常，當(dāng)電機(jī)功率大于7.skw時(shí)，須采用降壓起動(dòng)，故本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是針對廣泛使用的大功率三相電機(jī)降壓起動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目錄摘 要 11 三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)21.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2 本課題研究內(nèi)容 22 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制的研究 42.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程的分析 42.2 三相異步電機(jī)的啟動(dòng)方法 62.2.1 直接起動(dòng) 72.2.2 傳統(tǒng)減壓起動(dòng) 82.2.3 軟啟動(dòng) 102.3 軟起動(dòng)的原

6、理及分析 112.3.1 晶閘管調(diào)壓原理 112.3.2 軟起動(dòng)的起動(dòng)方式 133 軟啟動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)163.1 主要器件的介紹 163.1.1 KJ004 功能介紹163.1.2 KJ041 功能介紹183.2 主電路的選擇 193.2.2晶閘管相控調(diào)壓原理 203.3 主回路設(shè)計(jì) 213.3.1 主回路電路 213.3.2 晶閘管參數(shù)選擇 213.3.3 晶閘管觸發(fā)電路 223.3.4 晶閘管保護(hù)電路 243.4 電壓檢測回路 253.4.1 同步信號檢測 253.4.2 電壓反饋回路 273.4.3 電壓過欠保護(hù)電路 273.5 電流檢測回路 273.5.1 電流反饋回路 283.5

7、.2 過電流保護(hù)電路284 基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)294.1 觸發(fā)脈沖控制的軟件設(shè)計(jì)29結(jié)束語 38參考文獻(xiàn)39摘要三相異步電動(dòng)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、 交通運(yùn)輸業(yè)、國防工業(yè)以及其他各行各業(yè)中。但它也有明顯的缺點(diǎn)，那就是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，起動(dòng)電流過大。這種情況對電機(jī)本身及周圍電網(wǎng)都有非常不利的影響。為了減小異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中對電網(wǎng)的沖擊、消除傳統(tǒng)降壓起動(dòng)設(shè)備的有級觸點(diǎn)控制對異步電動(dòng)機(jī)的沖擊、改善異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，本文對基于單片機(jī)控制的晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器進(jìn)行討論。本文首先闡述了軟起動(dòng)器晶閘管調(diào)壓電路（ 即主電路 ） 的工作原理，主要是基于

8、晶閘管的三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器主電路設(shè)計(jì)和觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。然后是對電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器模式的設(shè)計(jì)，但主要還是軟起動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)器操作方便簡單，能夠使電機(jī)順利起動(dòng)。使之能達(dá)到了改善三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的要求。在滿足異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求及降低起動(dòng)電流的前提下，使電機(jī)能夠平穩(wěn)可靠起動(dòng)。關(guān)鍵詞 ：異步電動(dòng)機(jī)；晶閘管；軟起動(dòng)1 三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國軟起動(dòng)技術(shù)起步于上世紀(jì)80 年代早期，目前生產(chǎn)電機(jī)啟動(dòng)器的廠家很多，先后也推出了多種品牌的軟起動(dòng)器。但由于國內(nèi)自主開發(fā)和生產(chǎn)的能力相對較弱，對國外 產(chǎn)品的依賴還是很嚴(yán)重。在技術(shù)上和可靠性上與國外同類產(chǎn)品尚有一

9、定的差距。所以在 整個(gè)軟起動(dòng)器市場上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國外產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品所占的份額還是很低。目前市場上生產(chǎn)的軟啟動(dòng)器主要以機(jī)械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機(jī)械式啟動(dòng)器是目前使用比較廣泛的啟動(dòng)方式，但它是有級起動(dòng)，會產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動(dòng)電流仍然為標(biāo)稱電流的34倍，且有體積大、噪音大、維護(hù)費(fèi)用高、無法適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多弊端。 近三十年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使無電弧開關(guān)和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。電力半導(dǎo)體開關(guān)器件具有無磨損、壽命長、功耗小等特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論及微機(jī)控 制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)提供了全新的思路。要突破傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式，是離不開電 力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展的。目前在國

10、外，發(fā)達(dá)國家的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動(dòng)裝置晶閘管軟起動(dòng)和兼作軟起動(dòng)的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時(shí)，采用變頻裝置。在沒有調(diào)速要 求使用的場合下，起動(dòng)負(fù)載較輕時(shí)一般采用晶閘管軟起動(dòng)。在重載或負(fù)載功率特別大的 時(shí)候，才使用變頻軟起動(dòng)。晶閘管軟起動(dòng)裝置是發(fā)達(dá)國家軟起動(dòng)的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己品閘管軟起動(dòng)的品牌，在其功能上又各具特色。例如 GE公司生產(chǎn)的 ASTAT?能電機(jī)軟起動(dòng)器；ABB公司生產(chǎn)的PST PSTB系列電機(jī)軟起動(dòng)器；施耐德公司 的ATS4琳起動(dòng)器；德國 SIEMENS的3RW2名IKOSTAR軟起動(dòng)器等等。目前，國外 對晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究己經(jīng)從對控制電壓、

11、控制電機(jī)電流的開環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過建立比較準(zhǔn)確實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，找到適用于三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載性能更優(yōu)3 。另一方面，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā)展。1.2 本課題研究內(nèi)容軟啟動(dòng)器本質(zhì)上是一種直流調(diào)壓裝置，用來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車、實(shí)時(shí)監(jiān)測以及各種保護(hù)功能。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，可以充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能，由主控制電路對系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著數(shù)字直流PW蜩壓技術(shù)的應(yīng)用，以及采用高性能的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核 心，可以使軟啟動(dòng)器具有控制快速準(zhǔn)確、

12、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。在三相交流異步電動(dòng)機(jī)不宜采用直接啟動(dòng)的時(shí)候，可以考慮采用定子串電阻或串電抗器啟動(dòng)、Y- 啟動(dòng)、自耦變壓器降壓啟動(dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)、晶閘管電子軟啟動(dòng)、分級變頻軟啟動(dòng)、兩相變頻調(diào)壓軟啟動(dòng)等方法。結(jié)合各方面的因素及實(shí)際情況，本課題研究的內(nèi)容主要有：(1) 研究三相調(diào)壓軟起動(dòng)的基本原理，對三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，對軟起動(dòng)控制策略進(jìn)行研究。(2) 對三相晶閘管軟起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。包括主電路，觸發(fā)電路，檢測電路，控制電路，驅(qū)動(dòng)電路等。(3) 實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器模式的設(shè)計(jì)和軟件的有關(guān)設(shè)計(jì)。(4)用PROTE繪制系統(tǒng)的原理圖。本課題的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)三相

13、異步電機(jī)的軟啟動(dòng)，甚至使軟啟動(dòng)器能夠根據(jù)電機(jī)負(fù)載的實(shí)際情況改變。27 / 432三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制的研究交流三相異步電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)啟動(dòng)技術(shù)，如定子用電阻/電抗器啟動(dòng)、自耦變壓器降壓啟動(dòng)、星形-三角形降壓啟動(dòng)、轉(zhuǎn)子用電阻或頻敏變阻器啟動(dòng)等，在交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 技術(shù)發(fā)展過程中都有過重要應(yīng)用。但隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動(dòng)器因 為具有性能良好、產(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，使得 電子軟啟動(dòng)器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動(dòng)市場中的主流產(chǎn)品。2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程的分析Xmm三X為了研究三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析異

14、步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系，就要研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對于 電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。在不改變異步電動(dòng)機(jī) 定子繞組中的物理量和異步電機(jī)的電磁性能的前提下，經(jīng)頻率和繞組的計(jì)算，把異步電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相數(shù)、每相有效串聯(lián)匝數(shù)都?xì)w算成和定子繞組一樣，即可用歸算 過的基本方程式推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的等效電路。 三相異步電動(dòng)機(jī)的T形穩(wěn)態(tài)等效電路如 圖2-1所示：7riXii-scn i iUi圖2-1異步電動(dòng)機(jī)的等效電路其中，ri為定子繞組的電阻，xi為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子 繞組的電阻，X2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。rm

15、代表與定子鐵心損耗所對應(yīng)的 勵(lì)磁電阻，Xm代表與主磁通相對應(yīng)的鐵心磁路的勵(lì)磁電抗。 Ui為定子電壓向量，Ei為 定子感應(yīng)電動(dòng)勢向量，ii為定子電流向量，im為磁電流向量?；赥形等效電路的數(shù)學(xué) 模型為：由以上四式可得:uE 1 ii(rijXi)TiiZiE2 = I 2( +jx 2)si1i2 = i mE'2 = E1 - - 1mzm - - 1m rmjxmI =U1 r! + jX1 + 1 +jX2 1+Srm jXml jX,2(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)在異步電動(dòng)機(jī)里，因?yàn)閞1<X1, rm<<Xm,故可以省去r1, rm,則式

16、(2-5)可以表示為: U1I = I m(r1 + jx”'1+ x1；Xm(r2+jX'2) s(2-6)由等效電路可見，異步電動(dòng)機(jī)輸入的電功率P1 一部分消耗在釘子繞組的電阻而稱為定子銅耗Pcu1, 一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗PFe,剩余的通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的功率成為電磁功耗Pemo其中Pem為:Pem = mEi I '2 cos 2' = mJ '2 r '2/ s(2-7)電磁轉(zhuǎn)矩為:TemPmecQ(1 - s)Pmec1-s11Rm0(2-8)其中，2n1- f11 = 2"-60p為同步角速度;60為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速

17、度；Pem為機(jī)械功率。由式(2-7)和式(2-8)可得:TemPem P2 r2' m112's(2-9)根據(jù)T形等效電路可得:(2-10)將式(2-10)代入(2-9)得:Tem2n17IF2sU12史1 2X1 X 2(2-11)剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子n=0,轉(zhuǎn)差率s=1,此時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為:PEU122,2n f1+2' j +(x +X2,j(2-12)U1I 2'.(1 -)(X1 , X2 ')1 二同時(shí)，由于激磁電流相對較小即1XmJ近似為1,由式(2-6)的啟動(dòng)電流為:I stU12(2-13)由式(2-12)和式(2-13)可知，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于定子

18、端電壓的平方，起動(dòng)電流正比于定 子電壓。起動(dòng)電壓較低時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，電流也較??；反之，如果電壓較高，則起動(dòng) 轉(zhuǎn)矩較大，但同時(shí)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流也很大。而異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性主要表現(xiàn)在起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩個(gè)方面：希望電動(dòng)機(jī)起 動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便帶動(dòng)負(fù)載快速地達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；同時(shí)，也希望起動(dòng)電 流不要太大。因?yàn)樵诠╇娮儔浩鞯娜萘勘容^小的情況下，過大的起動(dòng)電流將造成較大的 線路壓降，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。下面針對異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，分析起動(dòng)方式的原理和應(yīng)用。2.2三相異步電機(jī)的啟動(dòng)方法三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法主要有直接起動(dòng)、傳統(tǒng)減壓啟動(dòng)和軟啟動(dòng)三種啟動(dòng)方法。 卜

19、面就分別做詳細(xì)介紹。2.2.1 直接起動(dòng)直接起動(dòng)，也叫全壓起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)通過一些直接起動(dòng)設(shè)備，將全部電源電壓（即全壓）直接加到異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下進(jìn)行起動(dòng)。一般情況下， 直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流為額定電流的 38倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的12倍。根據(jù)對國 產(chǎn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際測量，某些籠型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流甚至可以達(dá)到812倍。直接起動(dòng)的起動(dòng)線路是最簡單的，如圖 2-2所示。然而這種起動(dòng)方法有諸多不足。 對于需要頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，過大的起動(dòng)電流會造成電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，縮短電動(dòng)機(jī)的使用 壽命；同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組在電動(dòng)力的作用下， 會發(fā)生變形，可能引起短路進(jìn)而燒毀電動(dòng)機(jī)； 另外過大的起動(dòng)電流，會使線路

20、電壓降增大，造成電網(wǎng)電壓的顯著下降，從而影響同一 電網(wǎng)的其他設(shè)備的正常工作，有時(shí)甚至使它們停下來或無法帶負(fù)載起動(dòng)。這是因?yàn)門s及Tm均與電網(wǎng)電壓的平方成正比，電網(wǎng)電壓的顯著下降，可使Ts及Tm均下降到低于Tzo一般情況下，異步電動(dòng)機(jī)的功率小于7.5kW時(shí)允許直接起動(dòng)。如果功率大于7.5kW, 而電源總?cè)萘枯^大，能符合下式要求的話，電動(dòng)機(jī)也可允許直接起動(dòng)。I同 1 ：電源總?cè)萘浚╧v A） 1K1 = 3 W - 3 +I1N 4起動(dòng)電動(dòng)總功率（kw）如果不能滿足上式的要求，則必須采用減壓啟動(dòng)的方法，通過減壓，把啟動(dòng)電流 1st限制到允許的數(shù)值。圖2-2直接啟動(dòng)原理圖2.2.2 傳統(tǒng)減壓起動(dòng)減壓

21、起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)先降低定子繞組上的電壓， 待起動(dòng)后，再把電壓恢復(fù)到額定值。 減壓起動(dòng)雖然可以減小起動(dòng)電流，但是同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會減小。因此，減壓起動(dòng)方法一 般只適用于輕載或空載情況。傳統(tǒng)減壓起動(dòng)的具體方法很多，這里介紹以下三種減壓起 動(dòng)的方法：定子用接電阻或電抗起動(dòng)定子繞組用電阻或電抗相當(dāng)于降低定子繞組的外加電壓。由三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路可知：起動(dòng)電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組用電阻或電抗可以達(dá)到減小 起動(dòng)電流的目的。但考慮到起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會降低的 更多。因此，這種起動(dòng)方法僅僅適用于空載或輕載起動(dòng)場合。對于容量較小的異步電動(dòng)機(jī)，一般采用定子繞組用電阻降壓；但

22、對于容量較大的異 步電動(dòng)機(jī)，考慮到申接電阻會造成銅耗較大，故采用定子繞組用電抗降壓起動(dòng)。如圖2-3所示：當(dāng)起動(dòng)電機(jī)時(shí)，合上開關(guān) Q,交流接觸器KM斷開，使電源經(jīng)電阻 或電抗R流進(jìn)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完成時(shí) KM吸合，短接電阻或電抗 RoU V W（2）星-三角形（¥-）起動(dòng)星-三角形起動(dòng)法是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，定子繞組為星形（丫）接法，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至接近額 定轉(zhuǎn)速時(shí)，將繞組切換為三角形（）接法，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行的一種起動(dòng)方式。星 - 三角形起動(dòng)方法雖然簡單，但電動(dòng)機(jī)定子繞組的六個(gè)出線端都要引出來，略顯麻煩。圖2-4為星-三角形起動(dòng)法的原理圖。接觸器 KM2和KM3互鎖，即其中一個(gè)閉合 時(shí)，必

23、須保證另一個(gè)斷開。KM2閉合時(shí)，定子繞組為星形（丫）接法，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。切 換至KM3閉合，定子繞組改為三角形（）接法，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。由控制電路中的 時(shí)間繼電器KT確定星-三角切換的時(shí)間。定子繞組接成星形連接后，每相繞組的相電壓為三角形連接（全壓）時(shí)的1/J3,故星-三角形起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動(dòng)的1/3。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，該方法只適合于輕載起動(dòng)的場合。U V W圖2-4星-三角形起動(dòng)法的原理圖（3）自耦變壓器起動(dòng)自耦變壓器起動(dòng)法就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電源通過自耦變壓器降壓后接到電動(dòng)機(jī)上， 待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將自耦變壓器從電源切除，而使電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)上 轉(zhuǎn)化為正常

24、運(yùn)行的一種起動(dòng)方法。圖2-5所示為自耦變壓器起動(dòng)的自動(dòng)控制主回路?？刂七^程如下：合上空氣開關(guān)Q接通三相電源。按啟動(dòng)按鈕后 KM1線圈通電吸合并自鎖，其主觸頭閉合，將自耦變壓 器線圈接成星形，與此同時(shí)由于KM1輔助常開觸點(diǎn)閉合，使得接觸器KM2線圈通電吸 合，KM2的主觸頭閉合由自耦變壓器的低壓抽頭（例如65%）將三相電壓的65%接入電 動(dòng)。當(dāng)時(shí)間繼電器KT延時(shí)完畢閉合后，KM1線圈斷電，使自耦變壓器線圈封星端打開;同時(shí)KM2線圈斷電，切斷自耦變壓器電源，使 KM3線圈得電吸合，KM3主觸頭接通 電動(dòng)機(jī)在全壓下運(yùn)行。自耦變壓器一般有 65%和80%額定電壓的兩組抽頭。若自耦變壓器的變比為k,與直

25、接起動(dòng)相比，采用自耦變壓器起動(dòng)時(shí)，具一次側(cè)起 動(dòng)線電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都降低到直接起動(dòng)的l / k2。自耦變壓器起動(dòng)法不受電動(dòng)機(jī)繞組接線方式（丫接法或接法）的限制，允許的起動(dòng) 電流和所需起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過改變抽頭進(jìn)行選擇，但設(shè)備費(fèi)用較高。自耦變壓器起動(dòng)適用于容量較大的低壓電動(dòng)機(jī)作減壓起動(dòng)用，應(yīng)用非常廣泛，有手 動(dòng)及自動(dòng)控制線路。具優(yōu)點(diǎn)是電壓抽頭可供不同負(fù)載起動(dòng)時(shí)選擇；缺點(diǎn)是質(zhì)量大、體積 大、價(jià)格高、維護(hù)檢修費(fèi)用高。2.2.3軟啟動(dòng)軟起動(dòng)可分為有級和無級兩類，前者的調(diào)節(jié)是分檔的，后者的調(diào)節(jié)是連續(xù)的。在電 動(dòng)機(jī)定子回路中，通過用入限流作用的電力器件實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)， 叫做降壓或者限流軟起動(dòng)。 它是軟起動(dòng)中的一個(gè)重

26、要類別。按限流器件不同可分為：以電解液限流的液阻軟起動(dòng)； 以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動(dòng)；以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動(dòng)。晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品問世不過 30年左右的時(shí)間，它是當(dāng)今電力電子器件長足進(jìn)步的 結(jié)果。10年前，電氣工程界就有人預(yù)言，晶閘管軟起動(dòng)將引發(fā)軟起動(dòng)行業(yè)的一場革命。目前在低壓（380V）內(nèi)，晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)下降到液阻軟起動(dòng)的大約2倍，甚至更低。而其主要性能卻優(yōu)于液阻軟起動(dòng)。與液阻軟起動(dòng)相比，它的體積小、結(jié)構(gòu)緊湊， 維護(hù)量小，功能齊全，菜單豐富，起動(dòng)重復(fù)性好，保護(hù)周全，這些都是液阻軟起動(dòng)無法 比擬的。但是晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品也有缺點(diǎn)。一是高壓產(chǎn)品的價(jià)格太高，是液阻軟起動(dòng)產(chǎn)品

27、的510倍，二是品閘管引起的高次諧波比較嚴(yán)重。2.3軟起動(dòng)的原理及分析2.3.1 晶閘管調(diào)壓原理品閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制品閘管的導(dǎo)通角來調(diào)壓；二 是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個(gè)周波的電源電壓，用 改變接通時(shí)間與切斷時(shí)間之比來控制輸出電壓的有效值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。但周波 控制用在異步電機(jī)定子上時(shí)，通斷交替的頻率不能太低，一方面會引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波 動(dòng)，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動(dòng)機(jī)的重起動(dòng)過程。當(dāng)電源切斷時(shí)，電 動(dòng)機(jī)氣隙中的磁場將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場在定子 繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢頻率將有所變化，當(dāng)斷流

28、時(shí)問隔較長時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場在定子中感 應(yīng)的電勢和重新接通時(shí)的電源電壓在相位上可能會有很大的差別，這樣就會出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及品閘管的安全。故在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓控制中，晶閘管調(diào)壓一般采 用相位控制。采用相位控制時(shí)，輸出電壓波形已不是正弦波，經(jīng)分析可知，輸出電壓不 含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電機(jī)中會引起附加損耗， 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等不良影響。此外，由于異步電機(jī)是感性負(fù)載，從電力電子學(xué)中可以知道， 當(dāng)品閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)移相角大于負(fù)載的功率因數(shù)角時(shí)，才能 起到調(diào)壓的作用。當(dāng)口平時(shí)，電流導(dǎo)通的時(shí)間將始終保持在 180 o其情況與口=0時(shí)一 樣，相控不

29、起任何調(diào)壓作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不夠?qū)挼那闆r下，出現(xiàn)只有一個(gè)方 向上的品閘管工作，負(fù)載上出現(xiàn)直流分量，對晶閘管造成危害。為了保證品閘管的安全，CD在使用相控品閘管電路時(shí)采用寬脈沖觸發(fā)，移相范圍限制在駕180 o本系統(tǒng)軟起動(dòng)器采用晶閘管調(diào)壓原理， 通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子輸入端電壓的大小和相位實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的各種功能。本系統(tǒng)軟起動(dòng)器采用了如圖2-6所示的主電路。用三組反并聯(lián)品閘管分別串聯(lián)在星形接法的電機(jī)三相定子線圈上，這種連接方式諧波比較少，調(diào)壓 性能最為優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡單、可靠。圖2-6軟起動(dòng)主回路原理圖為了方便分析，做以下假定：(1)電源為三相對稱的正弦電壓源，內(nèi)阻抗為零；(2)各品閘管的特性一致

30、，對稱觸發(fā)，關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，其阻抗為無窮大；導(dǎo)通狀時(shí)壓降 為零；(3)電機(jī)為理想電機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子繞組在空間產(chǎn)生正弦分布的磁通勢；(4)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為常數(shù)。由于主電路中沒有中線，因此在工作時(shí)若要負(fù)載電流流通，至少要有兩相構(gòu)成通路。 其中一相是正向晶閘管導(dǎo)通，另一相則是反向晶閘管導(dǎo)通。為了保證在電路起始工作時(shí) 有兩個(gè)品閘管同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載與控制角較小時(shí)仍能保證不同相的兩個(gè)品閘管 同時(shí)導(dǎo)通，本系統(tǒng)采用了能夠產(chǎn)生大于 60°的雙窄脈沖的觸發(fā)電路。要實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)，需要控制電機(jī)的輸入電壓，使其按照某種曲線由小 到大逐漸上升。通過按照一定時(shí)序調(diào)整六個(gè)晶閘管的觸發(fā)角就可以實(shí)

31、現(xiàn)該目標(biāo)。該電路 的調(diào)壓實(shí)質(zhì)是對電源電壓進(jìn)行斬波。電機(jī)獲得的電壓是非正弦的，但是每相電壓的正負(fù) 半周是對稱的。品閘管任意一相的電壓波形如圖 2-7所示，其中電網(wǎng)電壓的波形是完整 的正弦波，”是晶閘管的觸發(fā)角，中是負(fù)載的功率因數(shù)角(也叫晶閘管的續(xù)流角)，8是 品閘管的導(dǎo)通角。由圖2-7可以很容易地推導(dǎo)出觸發(fā)角"，功率因數(shù)角中以及導(dǎo)通角H之間的關(guān)系：e = n a + 中公式(2-15)圖2-7任意相晶閘管的工作波形其中晶閘管的輸出電壓是介于導(dǎo)通角10之間的波形。通過改變導(dǎo)通角10的大小，就 可以改變晶閘管的輸出電壓，從而改變了電機(jī)的輸入電壓。由式（2-15）可以得知，導(dǎo)通角日與觸發(fā)角口

32、、功率因數(shù)角中都有關(guān)。對于恒定的負(fù)載而言，功率因數(shù)角 中是常量, 導(dǎo)通角9僅僅與觸發(fā)角有關(guān)。此時(shí)，只要改變晶閘管觸發(fā)角 口就可以改變晶閘管的輸 出電壓。但是對于異步電動(dòng)機(jī)而言，功率因數(shù)角 中是個(gè)變量，并且是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。 在電機(jī)起動(dòng)過程中，隨著轉(zhuǎn)速逐漸變大，功率因數(shù)角中也在不斷變化。因此，改變品閘管觸發(fā)角口的同時(shí)也要兼顧功率因數(shù)角，的變化情況。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī) 的輸入電壓按照預(yù)定規(guī)律變化的要求4。2.3.2 軟起動(dòng)的起動(dòng)方式軟起動(dòng)器的功能主要是實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟停車，而軟停車相當(dāng)于是軟起動(dòng)的逆過程。 三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器擁有多種起動(dòng)模式， 可以滿足不同的起動(dòng)要求。下面詳細(xì)介紹： 限

33、流起動(dòng)限流起動(dòng)就是在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程中限制其起動(dòng)電流不超過某一設(shè)定值Im的軟起動(dòng)方式，起動(dòng)波形如圖2-8所示。主要用于輕載起動(dòng)的降壓起動(dòng)，具輸出電壓從零開始 迅速增長，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值Im,然后保持輸出電流不大于該值的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓。這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小，且可按 需要調(diào)整起動(dòng)電流的限定值Im。其缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降，不能充分利用 壓降空間，損失起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)間相對較長。該方法應(yīng)用較多，適用于風(fēng)機(jī)，泵類負(fù) 載。/(o圖2-8限流啟動(dòng)波形(2)電壓斜坡起動(dòng)輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級降壓起動(dòng)變?yōu)闊o級，主要用在重載 起動(dòng)。它的

34、缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升對起動(dòng)不利，起動(dòng)時(shí)間長， 對電動(dòng)機(jī)不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡起動(dòng)，如圖 2-9所示。輸出電壓先迅速升至 U(U ,為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的最小轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的電壓值)，然后按設(shè)定的斜率逐漸升高電壓。 直至達(dá)到額定電壓，初始電壓和電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。在加速斜坡時(shí)同期聞， 電動(dòng)機(jī)電壓逐漸增加，加速斜坡時(shí)間在一定時(shí)間范圍內(nèi)可調(diào)整，加速斜坡時(shí)間一般在2 60秒之間。這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)電流相對較大，但起動(dòng)時(shí)間相對較短，適用于重 載起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。圖2-9電壓斜坡啟動(dòng)波形(3)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)主要用于重載起動(dòng)，如圖 2-10所示。它是按照電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升

35、的規(guī)律 控制輸出電壓。具優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平滑、柔性好、對拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少對電網(wǎng)的沖擊, 使最優(yōu)的重載起動(dòng)方式。具缺點(diǎn)就是起動(dòng)時(shí)間較長。圖2-10轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)波形(4)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)一樣，也是用在重載起動(dòng)的場合。所不同的是 在起動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動(dòng)時(shí) 問。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負(fù)荷。轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)如圖2-11所示。(5)電壓控制起動(dòng)電壓控制起動(dòng)是在保證起動(dòng)壓降一定的前提下使電動(dòng)機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能地縮短起動(dòng)時(shí)間，是最優(yōu)的輕載軟起動(dòng)方式，如圖 2-12所示。圖2-12電壓控制起動(dòng)波形3

36、軟啟動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)3.1 主要器件的介紹3.1.1 KJ004 功能介紹該電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏移電壓、移電壓綜合比較放大電路和功相率放大電路四部分組成。元件引腳功能見表3-1:鋸齒波的斜率決定于外接 R6、RW1 流出的充電電流和積分C1的數(shù)值。對不同的移項(xiàng)控制 V1,只有改變R1、R2的比例， 調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移VP。同時(shí)調(diào)整鋸齒波斜率電位器 RW1 ,可以使不同的移相控制電壓獲 得整個(gè)范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓增加，導(dǎo)通角增大。R7和C2形成微分電路，改變R7和C2的值，可獲得不同的脈寬輸出。KJ004的同步電壓為任意值表3-1 KJ004的引腳功能表功能輸 出

37、空鋸齒波形 成-Vee(1k Q空地同步輸 入綜合比 較空微分阻 容封鎖調(diào) 制輸 出+Vcc引線腳 號12345678910111213141516電路采用雙列直插C16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業(yè)部部頒標(biāo) 準(zhǔn)。半導(dǎo)體集成電路外型尺寸 SJ110O- 76R同同舊回同N同KJ004國0國圖K目目國圖3 -1 KJ004引腳圖與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、 脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。產(chǎn)4 us 心R1R7mu6R &S2浜 L V V z z4 7 1 R rivsr2V2DV) 9 v2BR1v176立年一DV5 DvV3Dv

38、161VVS9V15R21V13nVD7VS8入 '''.LvV5TUs V4 R148rm 7s V+ 15VVD1Rl31215VS53.4、 91112 1314圖3-2 KJ004電路原理圖KJ004參數(shù)及限制電源電壓：直流+15V、-15V,允許波動(dòng) b% （由0%時(shí)功能正常）。電源電流：正電流 0 15mA負(fù)電源0 10mA。同步電壓：任意值。同步輸入端允許最大同步電流：6mA （有效值）。移相范圍：170°（同步電壓30V,同步輸入電阻15KQ）。鋸齒波幅度：10V （幅度以鋸齒波平頂為準(zhǔn)）。輸出脈沖：（1）寬度：400小廠2ms（通過改變脈寬阻

39、容元件達(dá)到）。（2）幅度：13V（3） KJ004最大輸出能力：100mA （流出脈沖電流）。（4）輸出管反壓：BVCEO18V （測試條件Ie 100正負(fù)半周脈沖相位不均衡 ±3°使用環(huán)境溫度為四級：C:070c R:-5585c E:-4085c M:-55125c3.1.2 KJ041 功能介紹KJ041六路雙脈沖形成器是三相全控橋式觸發(fā)線路中常用的電路，它具有雙脈沖形成和電子開關(guān)控制封鎖雙脈沖形成功能。 使用兩個(gè)有電子開關(guān)控制的 KJ041電路組成邏輯控制，適用于正、反組可逆品閘管電力電子成套裝置(如正、反邏輯無環(huán)流直流調(diào)速 的十二相晶閘管整流設(shè)備中)。主要參數(shù)及限

40、制(1)電源電壓：DC +15V± 10%(2)電源電流： 0 20mA(3)輸出脈沖最大負(fù)載電流：0 20mA(4)輸出脈沖幅值：>1V(5)輸入端二極管最高承受反壓：> 30V(6)控制端正向電流：0 3mA(7)允許使用環(huán)境溫度：I類品為-55+125 C; II類品為-55+85°C;出類品為-40+85° C; IV類品為-10+70° CFin 目閆口門口KJ041目 blLJLJLWIO 7圖3-3 KJ041的引腳排列(引腳向下)各引腳的功能及用法：1)輸出引腳引腳15:對應(yīng)1與2的放大單元輸入端；引腳14:對應(yīng)3與2的放大單

41、元輸入端；引腳13:對應(yīng)3與4的 放大單元輸入端；引腳12:對應(yīng)4與5的或"輸出端，使用中，接觸發(fā) 或"輸出端，使用中，接觸發(fā) 或"輸出端，使用中，接觸發(fā) 或"輸出端，使用中，接觸發(fā)A相正半周晶閘管的功率C相負(fù)半周品閘管的功率B相正半周晶閘管的功率A相負(fù)半周晶閘管的功率放大單元輸入端；引腳 11：對應(yīng) 5 與 6 的“或”出端，使用中，接觸發(fā) C 相正半周晶閘管的功率放大單元輸入端；引腳10：對應(yīng)6 與 1 的“或”輸出端，使用中，接觸發(fā) B 相負(fù)半周晶閘管的功率放大單元輸入端；2)輸入引腳：引腳1 和引腳4：對應(yīng)于電網(wǎng)A 相正、負(fù)半周的觸發(fā)脈沖輸入端；

42、引腳2 和引腳5：對應(yīng)于電網(wǎng)C 相負(fù)、正半周的觸發(fā)脈沖輸入端；引腳3和引腳6:對應(yīng)于電網(wǎng)B相正、負(fù)半周的觸發(fā)脈沖輸入端；3)引腳16:工作電源輸入端。KJ041的工作電源范圍為318V,使用中一般接+15V 電源。4)引腳8 (GND):工作參考地端。使用中接用戶系統(tǒng)供電電源的地端。5)弓I腳9 (NC):空腳。使用中，懸空。6)引腳7 (L):輸出脈沖封鎖端，該端高電平封鎖輸出。KJ041的輸出引腳在L端為高電平時(shí)均變?yōu)榈碗娖?；而在L 端為低電平時(shí)，KJ041 的輸出引腳按輸入引腳的狀態(tài)和 KJ041 的工作機(jī)理正常輸出脈沖。使用中該端接保護(hù)電路的輸出。3.2 主電路的選擇在晶閘管交流調(diào)壓系

43、統(tǒng)中，晶閘管可以借負(fù)載電流波形過零而自行關(guān)斷，不需另加換流電路，所以其主要優(yōu)點(diǎn)是線路簡單、調(diào)壓裝置體積小，價(jià)格低廉、使用及維修方便。本系統(tǒng)采用晶閘管相控調(diào)壓的技術(shù)，采用圖3-1 所示的主電路，用六個(gè)兩兩反向并聯(lián)的晶閘管串連在電機(jī)主供電回路中。圖3-4交流調(diào)壓主電路3.2.2晶閘管相控調(diào)壓原理品閘管調(diào)壓單相等效電路如圖 3-5所示，其中Zl為電機(jī)一相等效阻抗，Ui為電網(wǎng)相電壓，Ul為晶閘管輸出電壓。設(shè)Ui =42U sin wt1q uL 4圖3.6晶閘管輸出電壓波形圖3-5晶閘管單相調(diào)壓電路圖3-5為一路品閘管輸出波形示意圖。晶閘管控制角日和功率因數(shù)角中決定了晶閘管的輸出電壓值。晶閘管正負(fù)半周

44、的觸發(fā)是對稱的，晶閘管的輸出電壓有效值 式（3-1）計(jì)算：u?？捎蒛l=V，'0( 2U sin wt ) d (wt )+V2u sin wt ) d (wt。=U /卜元 + 中 一8 ) + (sin26一sin2中)=f (U ,日，平)公式(3-1)可見，Ul是晶閘管控制角6、功率因數(shù)角邛及供電電壓U的函數(shù)。當(dāng)供電電壓不變時(shí)，通過改變晶閘管的控制角，可以改變晶閘管的輸出電壓。3.3 主回路設(shè)計(jì)3.3.1 主回路電路 軟起動(dòng)器主回路設(shè)計(jì)電路如圖3-7所示圖3-7主回路電路采用三組反并聯(lián)品閘管組成調(diào)壓電路。 在三組晶閘管和三相供電電源之間接入接觸 器，軟起動(dòng)時(shí)，接觸器斷開，軟起動(dòng)

45、完成后接觸器閉合。軟停車開始時(shí)，接觸器再次打 到雙向晶閘管端，軟起動(dòng)器投入到停車運(yùn)行，如此重復(fù)來完成軟起動(dòng)和軟停車。在三相 電源側(cè)通過隔離電路得到軟起動(dòng)器同步信號；在晶閘管輸出側(cè)即R、S、T通過電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經(jīng)過整流電路送入單片機(jī)做故障檢測。而 TAl , TA2 年TA3表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號通過整流電路后轉(zhuǎn)變成電壓信號輸入 到控制回路5。3.3.2 晶閘管參數(shù)選擇品閘管的選擇參數(shù)很多，但用于應(yīng)用于軟起動(dòng)時(shí)，主要是額定電壓、額定電流的計(jì) 算與選擇。品閘管由于過電流過電壓能力低，又常常工作在不同的電流波形情況下，給 額定電流的選擇帶來一定的困難，如若額定值選

46、擇不當(dāng)，會造成不必要的損失或浪費(fèi)。 根據(jù)實(shí)際工作條件，在滿足需要的前提下，應(yīng)盡量降低品閘管的定額，以減少設(shè)備投資 需滿足兩個(gè)條件。首先，晶閘管的正、反向峰值電壓UDRM 和 URRM 應(yīng)為晶閘管實(shí)際承受最大峰值電壓Um的23倍，即Udrm/rrm=（23）Um。在本文設(shè)計(jì)中電機(jī)為 220V的三步電動(dòng)機(jī)，根 據(jù)公式計(jì)算可得晶閘管耐壓在 622V 933V范圍內(nèi)。其次，晶閘管的額定通態(tài)電流I TAV 指的是工頻正弦半波平均值，其對應(yīng)的有效值應(yīng)滿足Irms=1.57Itav。為使晶閘管在工作過程中不因?qū)嶋H有效值應(yīng)在乘以安全系數(shù)1.52后才能等于1.57 Itavo本文中使用的異步電機(jī)功率 4KW,額

47、定電流0. 55Ao由于異 步電機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)的電流為 67倍的額定電流。因此晶閘管的Itav范圍在3. 3A 3 85A。3.3.3 晶閘管觸發(fā)電路本設(shè)計(jì)觸發(fā)電路原理是首先用同步變壓器對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣并降壓，之后輸入KJ004 用來產(chǎn)生單脈沖，通過調(diào)節(jié)分壓電阻可以實(shí)現(xiàn)對單脈沖占空比的調(diào)節(jié)，通過模擬開關(guān)4066來實(shí)現(xiàn)對KJ004寬窄脈沖模式的變換，使KJ004輸出寬脈沖或者窄脈沖，KJ042則產(chǎn)生高頻調(diào)制波對KJ004 輸出的寬脈沖或窄脈沖進(jìn)行高頻調(diào)制，使其輸出寬窄脈沖列，當(dāng) KJ004 處于寬脈沖方式時(shí)，KJ004 輸出直接加到驅(qū)動(dòng)電路，而KJ004 處于窄脈沖方式時(shí)單脈沖（3 片 KJ0

48、04 產(chǎn)生 6 路 ）輸入到KJ041 合成雙脈沖，每組雙脈沖相位相差60°，用于觸發(fā)整流橋電路。如圖 3-8 為同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，其輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖。電路結(jié)包括三個(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)6。此外，還有強(qiáng)觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。U/0GtR劫5 V1611R旦R7VD1盡R6將VD,V2R9西VDV6V4V西VD4V73VDW3V83RoRI2Ri、VDWiV雙 “VRR5TVDW4仟VDW5IV121R3£1竺IFW,R22卜1314偏移電壓（-）旦3 ，一1_o 移相 電

49、壓一 （+）圖3-8脈沖發(fā)生電路圖1、脈沖形成環(huán)節(jié)V4、V5脈沖形成V7、V8脈沖放大控制電壓Uco加在V4基極上。Uco=0時(shí)，V4截止。V5飽和導(dǎo)通。V7、V8處于截止?fàn)?態(tài)，無脈沖輸出。電容 C3充電，充滿后電容兩端電壓接近 2E1（30V）時(shí)，V4導(dǎo)通，A點(diǎn) 電位由+E1（+15V）下降到1.0V左右，V5基極電位下降約-2E1（-30V） , V5立即截止。V5 集電極電壓由-E1（-15V）上升為+2.1V, V7、V8導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖。電容 C3放電和反 向充電，使V5基極電位上升，直到Ub5>-E1（-15V） , V5又重新導(dǎo)通。使V7、V8截止，輸 出脈沖終止。脈沖

50、前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù)R11C3有關(guān)。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器 TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。2、鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)3、同步環(huán)節(jié)4、雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)內(nèi)雙脈沖電路由V5、V6構(gòu)成 或"門。當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時(shí)，V7、V8都截止，沒有脈 沖輸出，只要75、V6有一個(gè)截止，都會使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。第一個(gè)脈沖由本 相觸發(fā)單元的uco對應(yīng)的控制角a產(chǎn)生。隔60°的第二個(gè)脈沖是由滯后60°相位的后一相 觸發(fā)單元產(chǎn)生(通過V6)。晶閘管觸發(fā)電路總圖如圖3-9所示。3.3.4較差，短時(shí)間內(nèi)的過電壓、過電流都可能

51、造成元件損壞。為了使晶閘管能正常工作，除 了合理的選擇元件外，還必須對過電流，過電壓的發(fā)生采取保護(hù)措施。過電流保護(hù)品閘管設(shè)備發(fā)生過電流有可能是晶閘管損毀、觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等。針對 這些情況，除了用軟件來實(shí)現(xiàn)保護(hù)外，還可以在硬件電路中加入快速熔斷器來保護(hù)品閘 管的過電流。(2)過電壓保護(hù)我們知道品閘管有一個(gè)重要的特性參數(shù)，即斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。它表明晶閘管在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。若電 壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開通。即 使此時(shí)加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能出現(xiàn)這種情況7。為了限

52、制電路電壓上升率過大，確保品閘管安全運(yùn)行，本設(shè)計(jì)在晶閘管兩端并聯(lián) RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。如圖 3-7中所示。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械?，所以與電容C 串聯(lián)電阻R 可起阻尼作用，它可以防止R、 L、 C 電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞晶閘管。同時(shí)，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。3.4 電壓檢測回路在電壓檢測回路中，盡量實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣三相電壓的自然換相點(diǎn)，它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號的同步信號；其二是通過檢測晶閘管輸出端可以得到晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的檢測，以便做電壓反饋和缺相故障檢測；

53、其三是將三相晶閘管輸出電壓信號通過電阻降壓后轉(zhuǎn)變成直流信號，再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送入到單片機(jī)中，作為過壓或欠壓保護(hù)的信號。3.4.1 同步信號檢測為了保證三相交流調(diào)壓器主回路中各個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系。在電機(jī)軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)過程中，同步信號檢測是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有準(zhǔn)確的測量出電壓的過零點(diǎn)，才能精確的控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)兩端電壓的無極加載，完成軟起動(dòng)的功能。采用如圖3-10 所示的電路作為電壓同步信號檢測電路 8。從圖中可以看出，這個(gè)電路的功能就是將由電源側(cè)來的線電壓正弦信號轉(zhuǎn)為低壓方波信號來供單片機(jī)進(jìn)行處理分析。由于這里的信號是從高壓轉(zhuǎn)為低壓送入單片機(jī)

54、處理的，因此要利用一塊光耦對高低壓信號進(jìn)行隔離，這樣保證了這兩種信號可以互不干擾地分離處理。整個(gè)工作過程大體是這樣的：由電源側(cè)來的線電壓信號經(jīng)過2 個(gè)電阻和1 個(gè)二極管，變成半波交流信號，這個(gè)交流信號在正半波時(shí)觸發(fā)光耦導(dǎo)通，從而使得右側(cè)輸入到單片機(jī)的是高電平信號；而當(dāng)光耦左側(cè)交流信號處于低電平時(shí)，光耦則截止。那么右側(cè)輸入到單片機(jī)的信號也就是低電平。這樣周而復(fù)始，單片機(jī)所得到的就是幅值為 5V 的方波信號，周期等同于電源的周期即工頻50Hz， 而高低電平持續(xù)的時(shí)間也基本與電源側(cè)正負(fù)交流信號所持續(xù)的時(shí)間大致相同，雖然其間存在著一定的時(shí)延，但這可以通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償，從而既簡化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì)，又

55、得到了與電源電壓同步的信號，為下面給出晶閘管觸發(fā)信號提供了工作電壓零點(diǎn)的基準(zhǔn)。圖中右端接主控單片機(jī)芯片。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面，在起動(dòng)未開始或是開始瞬間，這個(gè)電路就可以檢測到器件電壓零點(diǎn)；另外，由于輸入的交流信號是直接從電源側(cè)獲取的，因此這就不需要 像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號再進(jìn)行處理，這樣就既節(jié)省了線路板的空間，又節(jié)約了成本90圖3-10同步信號檢測電路同時(shí)，可以利用圖3-10這個(gè)電路（以下稱為電路I）和另一套與電路I基本相同的電 路（以下稱為電路II）配合，進(jìn)行電源的相序判斷和缺相檢測。簡要介紹一下工作原理。電路II和電路I結(jié)構(gòu)基本相同，存在的區(qū)別就是，假設(shè)電路 I的輸入側(cè)連接電源的U、 V兩相，而電路II輸入側(cè)連接的就是電源的 V、W兩相，且輸出信號是分別送入主控 單片機(jī)芯片的外部中斷輸入口。我們